提高主变负载率的大型用户变电站规划方法

田 浩，孟庆海，程 林，李庆生，赵庆明

（1.北方工业大学机电工程学院，北京100144；2.电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京100084；3.贵州电网公司电网规划研究中心，贵阳550002）

近几年来，随着我国经济的快速发展，用电负荷直线上升，导致各地区大范围缺电的现象。为不影响经济发展和人们正常生活，保证大型用户安全稳定的用电，各地大型用户都纷纷开始自备电厂的建设[1]，从一定程度上缓解了电力系统的供电压力。

一方面，为保证企业的正常生产活动不受影响，自备电厂一般都依赖于电网向其提供辅助服务和备用容量，在自备电厂发生故障停机或者减少出力时，电力系统立即为企业提供缺额电力，这种情况下，企业出于自身供电安全性，在变电站建设时考虑了足够的冗余，按照最大的容量选取变压器，此时电力系统同样需要提供等容量的备用。这就需要电力企业加大投资、增加备用容量的建设，保证在自备电厂出力变化时企业的安全可靠供电。

另一方面，随着电力改革的深入，国家出台了相关政策[2-3]，要求自备电厂企业向与其相联接的电网支付相应的备用容量费用。按照这种方式自备电厂企业需要缴纳高额的备用容量费，又给自备电厂企业带来了巨大经济负担。

目前有文献[4-6]针对备用费的收取标准进行研究，使备用容量费收取尽量公平、公正。但还没有从提高变电站利用率，从而减少电力系统等额备用容量角度进行的研究。因此，本文提出了提高大型用户设备利用率的变电站设计方法。该方法即可以提高变电站利用率、降低备用容量，又可以为企业节省备用容量费。使电力企业与大型用户达到“双赢”的目标。

1 提高利用率的用户变电站设计依据

1.1 变电站过载能力分析

根据《油浸式电力变压器负载导则》[7]中规定的油浸式电力变压器超铭牌额定值负载的限定条件选取变压器的允许过载能力[8-10]。本文选取ON中型和大型电压变压器，在气温为20 ℃时为例进行分析，该变压器正常寿命损失下的负荷条件曲线如图1 所示。其中：k1为变压器初始负载系数（负载系数为负载电流/额定电流）；k2为峰值负载系数；θa为环境温度；t 为时间。

图1 变压器正常寿命损失下的负荷条件Fig.1 Transformer loading ability under standard life span

由图1 可以看出，变压器允许过负荷能力与过负荷持续时间和变压器初始负载率有关。变压器过负荷持续时间越长，峰值负载越低；变压器初始负载越低，其在持续时间t 内的峰值负载越高。

因此，可利用变压器允许短时过负荷运行的特点，在允许过负荷持续运行时间内将过载负荷切换到备用主变运行。

1.2 基于变压器过载能力的容量选择

考虑变压器主变满足N-1 需求，即一台主变检修或故障时，不造成其他主变过负荷，因此，变电站主变容量选择S1[11-12]方法为

式中：P 为最大用电负荷；β 为满足N-1 时的变电站负载率。

考虑变压器峰值负载时，即一台主变检修或故障时，备用主变4 h 内运行，则其他主变允许过负荷运行4 h，此时变电站主变容量S2选择为

式中，k2为峰值负载系数。则有

因此，在满足变电站一台主变检修或故障时，允许其他主变过载k2倍，在4 h 内切换到备用主变运行，则变电站的利用率提高了k2倍。

则备用容量降低比率为

可以看出，变电站利用率和备用容量比例均与k2相关，大型用户变压器初始负载率越低，变压器利用率提高比例越大，备用容量降低比例越大。

2 基于总拥有费用的变电站设计方法

2.1 总拥有费用法

对于大型用户企业来说是以盈利为目标的，按照虑变压器允许短时过载运行的特性选取变压器容量，虽然提高了变压器的利用率，但需要增加备用变压器保证在时间t 内将备用变压器投入运行，这就意味着加大了电网投资和运行成本，但与此同时又降低了备用容量，可以通过减少容量费来节约成本。

如何协调解决这一矛盾，需要通过成本/收益进行分析，确定由提高设备利用率而减少的备用容量费，带来的何种效益才能进行变电站设计，如图2 所示，当变电站投资成本与提高设备利用率带来的效益（本文用减少的备用容量费来衡量）边际曲线形成的总成本最低时（图中的点Tm），变电站设计最佳方案。

在可成本/效益分析的基础上，文中采用总拥有费用TOC（total owning cost）法[13]。总拥有费用是指初始投资和其在使用期内产生的系统备用容量费之和。按照总拥有费用最低来确定变电站设计方案。

图2 成本/效益分析曲线Fig.2 Cost/benefit curve

总拥有费用包括工程建设成本费用和备用容量费两部分构成，成本费用由建设费用和运行费用构成，备用容量费指按照自备电厂用户报装容量缴纳的费用，如图3 所示。

图3 总拥有费用结构Fig.3 Structure of total life span cost

总拥有费用评估公式为

式中：G 为最小年费用[14-17]（总拥有费用）；C 为变电站建设最小年费用；CR为变电站年运行费；CT为年备用容量费。

2.2 变电站建设最小年费用C

式中：Ti为所得税税率；y 为年折旧费；A 为投产还贷期的等年值。

银行贷款实际年利率i，即

式中：i 为银行贷款实际年利率；r 为名义利率；m为计息周期，次/a。

当全部资金都采用银行贷款时，资金预期回报率I 为

改造设备的年折旧费y，即

式中：Nz为直线折旧法的折旧期；Y%为设备残值。配电设备采用直线法折旧，即Nz年后保留残值，其余折旧费用在Nz年均摊。

投产还贷期的等年值A，即

式中：Cu为投产还贷期内分摊的资金费用；Nd为银行的贷款年限；Nj为工程建设期；F 为资金C 在贷款期末的终值；D 为固定资产在投产还贷期末的帐面价值。

2.3 变电站年运行费CR

变电站年运行费用CR主要包括一年中站内设备检修维护费及变压器电能损耗费用等。变电站的年运行费用基本都在其综合投资的10%左右。

2.4 年备用容量费CT

继2004 年9 月，国家发改委、国家电监会就进一步落实差别电价及自备电厂收费政策有关问题发出通知之后，各地方发改委及物价部门根据通知的精神相继制定了向自备电厂企业收取备用容量费的收费标准如表1 所示。

表1 部分地区备用容量费征收情况统计表Tab.1 Statistics of auxiliary cost

通过比较当前各省市向自备电厂企业收取备用容量费的政策和收费办法，可以发现，已经向企业收取备用容量费的大多数省份中大部分以变压器容量为依据计算企业所应缴纳的备用容量费用。

因此，年备用容量费用CT为

式中：f 为备用容量费（元/（kVA·月））；Sa为报装容量，MVA。

3 大型用户变电站设计应用

以待建的某石化企业为例，预计该企业的最大供电负荷为480 MW；有6 台出力均为60 MW发电机组的自备电厂，正常方式下发电机最大出力300 MW，需系统供电负荷170 MW；N-1 方式下发电机最大出力260 MW，需系统供电负荷220 MW。该企业需要建设220 kV 变电站1 座。首先对变电站建设方案进行选取，再利用总拥有费用法对变电站进行优化，以确定最优的变电站建设方案。

3.1 基于备用容量费的变电站设计

文中选用ON 中型和大型电压变压器，气温按照20 ℃进行分析。

1）220 kV 变电站规划方案（方案1）

220 kV 变电站规划方案1 如图4 所示。

图4 220 kV 变电站设计方案1Fig.4 220 kV substation design scheme 1

采取方案1 时当变电站一台主变检修或故障，需要通过另一台主变长期带负荷运行，此时变电站过载能力如图1 所示，t 为24 h、变压器初始负载系数k1〈1 时峰值负载系数k2为1（即变电站负载率最高为100%，则变电站满足N-1 时的负载率β 为50%）。

此时需系统供电负荷P 为220 MW，功率因数取0.95，代入式（1）可得S 为463 MVA，因此选取容量构成为2×240 MVA 的变电站。此时同样需要系统提供480 MVA 的备用容量。

2）220 kV 变电站规划方案（方案2）

220 kV 变电站设计方案2 如图5 所示。

方案2 提出采用3 台主变、3 段母线的建设方案，其中两台主变运行，一台主变长期备用，同时装设在线监测和闭锁装置，确保只有两台断路器同时闭合。

采取方案2 当一台主变故障或检修时备用主变在4 h 内投入运行，此时变电站过载能力如图1所示，t 为4 h、变压器初始负载系数k1〈0.7 时峰值负载系数1.3〈k2〈1.38。

图5 220 kV 变电站设计方案2Fig.5 220 kV substation design scheme 2

此时需系统供电负荷P 为220 MW，功率因数取0.95，β 取k2/2，代入式（1）可得S 为463/k2MVA。

由于k1小于0.7 时k1在1.3～1.38 之间，则S的取值范围在336～356 MVA 之间。因此选取3×180 MVA 的变电站，其中两台主变运行，运行容量为360 MW，一台主变（3# 主变）长期处于备用状态，不参与用户报装，当1#或2#主变故障或检修时3#主变在4 h 内投入运行。此时需要系统提供360 MVA 的备用容量。

由式（4）可得，该方案与方案1 比较降低企业25%的备用容量需求。

3.2 基于备用容量费的变电站设计

1）变电站设计条件

变电站综合建设费（包括土建、设备购置费等综合费用）为560 元/kW；CR为总投资的10%；CT为23 元/（kW·月）；r 为6.21%；m 为按季度记息（每年4 次）；Nd为10 a；Nj为1 a；Y%为3%；Ti为33%；RC为总投资额的0.2%；IC为总投资额的0.13%；Nz为20 a。

2）变电站设计结果

两种方案经济效益评估结果如表2 所示。

表2 两种方案经济效益评估结果Tab.2 Cost Comparison of two configurations

可以看出，方案1 变电站建设最小年费用和年运行费用都低于方案2，但综合考虑年备用容量费用，方案2 的最小年费用低于方案1。经计算：

①当备用容量费用〈4.88 元/（kW·月）时，方案1 最优，其最小年费用低于方案2；

②采取方案2 时变电站建设费用比方案1 多3 360 万元，变电站运行费用每年多336 万元；但方案2 备用容量费用每年将节省3 312 万元。因此，采取方案2 的建设方案两年就可收回多投资的成本。

4 结语

论文分析了变压器短时允许过载能力，提出增加一台冷备用主变压器的大型用户变电站设计方法，当变电站一台主变故障或检修时，在持续时间t 内将冷备用主变压器投入运行并带负荷，另一台主变在持续时间t 内的峰值负载为允许负载的k2倍，则相应的提高变电站利用率，降低变电站备用容量。并利用总拥有费用法，综合比较由增加备用变压器所带来的电网建设和运行费用与由设备利用率提高所降低备用容量费用，提出最优的变电站设计方案。

最后论文以某企业为案例进行分析，在满足供电安全约束的条件下，该企业采取3 台主变、3段母线的建设方案，其中两台主变运行，一台主变长期处于备用状态，不参与用户报装，当一台主变故障或检修时备用主变可以在4 h 内投入运行。与两台主变的供电方案相比该方案在发电机N-1 方式下变电站利用率由48.25%提高到64.33%；最小年费用（G）节约2 609 万元/a。

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